Создал теорию теплового взрыва газовых смесей, на основе которой разработал учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ и порохов. Разработал теорию цепных химических реакций, которая легла в основу создания полимеров — веществ с заранее заданными свойствами. Открыл новый тип катализа — ионно-гетерогенный. Все открытия Н.Н. Семенова имели выдающееся мировое значение для развития науки.